Forschung im HLRN-Verbund 2011

191Abbildung 1: 2D-Schnitte durch die Simulationsbox der Mondsimulation: Sonnenwinddichte, -geschwindigkeit undMagnetfeld (v.l.n.r). Der Sonnenwind strömt von links in die Box und wird vom Mond absorbiert, hinterdem Mond entsteht eine Vakuumregion (links). Diese wird von dem umgebenden Plasma wieder aufgefüllt,wobei dieses beschleunigt oder verlangsamt werden kann (mitte). Das Magnetfeld wird vomMond quasi nicht beeinflusst, jedoch tragen die einströmenden Teilchen hinter dem Mond ebenfallsein Magnetfeld, so dass es zu einer Erhöhung kommt (rechts).melt werden. Zur Interpretation dieser Datensind unter anderem Plasmasimulationen notwendig:Stöße zwischen den Wassermolekülen desPlumes und magnetosphärischen Ionen verursacheneine lokale Störung von Saturns Magnetfeld,die von Cassini gemessen werden kann. Beieiner Übereinstimmung zwischen simulierter undgemessener Magnetfeldstörung lassen sich daheranhand der in der Simulation angenommenenDichte der Wassermoleküle Rückschlüsse aufdie reale Dichte und Produktionsrate des Plumesziehen[2].Zur Simulation verwendet die AG NPS dabeiden Hybrid-Simulationscode A.I.K.E.F. (AdaptiveIon Kinetic Electron Fluid). ”Hybrid” bedeutet hierbei,dass die Protonen und schwerere Ionen desWeltraumplasmas als Makropartikel repräsentiertwerden, die sich frei innerhalb der Zellen desSimulationsgitters entsprechend der Lorentzkraftbewegen können. Die leichten Elektronen hingegenwerden als masselose, ladungsneutralisierendeFlüssigkeit modelliert. Auf den Knoten desGitters werden aus den Teilchenkoordinaten dieelekromagnetischen Felder interpoliert, mit denendann im nächsten Zeitschritt die Teilchenbeschleunigungbestimmt wird. Der Simulationscode ist dabeiin der Lage, adaptiv zu arbeiten. Das bedeutet,die Auflösung des Simulationsgitters kann in Teilender Simulation erhöht werden, um so relevanteStrukturen besser auflösen zu können und gleichzeitigweniger relevante Orte effizient mit geringerAuflösung zu betrachten. Die Hybrid-Beschreibungbietet sich immer dann an, wenn kinetische Effekteder Ionen, wie z. B. die Gyration berücksichtigt werdenmüssen, d.h. die Gyrationsradien vergleichbarmit der Größe des Hindernisses sind und dieElektronendynamik wegen der viel kleineren Masseder Elektronen vernachlässigt werden kann. Eineübliche Simulation besteht in der gröbsten Ebeneaus etwa 100 Zellen pro Raumrichtung, dieAuflösung wird jedoch in Teilen des Simulationsgebietesoft um 2 3 oder 2 4 erhöht. In jeder Gitterzellebefinden sich dabei 20-100 Makropartikel, sodass in der gesamten Simulation oft mehrere MilliardenPartikel enthalten sind. Je nach Teilchenzahl,Auflösung, Adaptivität und benötigter Echtzeitdauert eine Simulationen bei Verwendung von128 CPUs mehrere Tage. Hinzu kommt, dass einegroße Anzahl an Parametern getestet werdenmuss, weshalb bis zu 100 Simulationen durchgeführtwerden müssen.Mehr zum Thema1. Wiehle, S. et al., First Lunar Wake Passage ofARTEMIS: Discrimination of Wake Effects andSolar Wind Fluctuations by 3D Hybrid Simulations,Plan. Space Sci., subm.2. Kriegel, H. et al., Hybrid simulations of moonmagnetosphereinteractions at Saturn, Talk (invited)at AGU Fall Meeting 2010FörderungDFG-Schwerpunktprogramm 1488 PlanetMAGPhysik